Направления повышения эффективности размещения отходов в горных выработках соляных месторождений

УДК 622.014.3:502.76:69.9035.4.002.68

О. В. КОВАЛЕВ, д-р. техн. наук, профессор, кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, [e-mail]

, канд. техн. наук, доцент, кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, [e-mail]

Национальный минерально-сырьевой университет “Горный”

О.V. Kovalev, Dr. in eng. sc., professor, mining department, *****@***ru

S. P. Mozer, PhD in eng. sc, the senior lecturer, mining department, *****@***ru

Saint-Petersburg State Mining University

направления повышения эффективности размещения отходов в горных выработках соляных месторождений

Рассмотрены основные аспекты размещения отходов в подземном пространстве. Приведены ключевые проблемы изоляции отходов в выработках соляных месторождений. Предложена технология размещения отходов, основанная на использовании для иммобилизации отходов природных минеральных солей.

Ключевые слова: подземные выработки, соляные месторождения, размещение отходов, искусственные соляные формации, технология, эффективность

WAYS OF IMPROVING WASTE DISPOSAL IN THE WORKINGS OF HYDROCHLORIC MINES

Address the major aspects of waste disposal in underground space. Are key problems of isolation of wastes in underground salt deposits? Proposed waste disposal technology, based on the use of waste for immobilization of natural mineral salts.

Key words: underground workings, salt deposits, waste disposal, artificial salt formations, technology and efficiency

Исследователи всего мира сошлись во мнении, что использование подземного пространства является одним из лучших решений для долговременного хранения или захоронения различного рода отходов. Например, только в Германии функционируют более 30-ти предприятий по размещению отходов в подземных выработках.

Оценка возможности создания подземного хранилища идет по следующей схеме: выбор объекта, пригодного для размещения отходов, его геологическая оценка, разработка принципиальной схемы подземного хранилища, выборе типа упаковки для хранения отходов, изолирующих материалов, а также системы транспортировки отходов от места образования до потенциального хранилища.

С учетом возможной переработки отходов можно выделить, как минимум, два принципиально отличающихся друг от друга направления размещения отходов: “вечное” захоронение и хранение с возможным последующим извлечением для переработки. В первом случае отходы размещают с целью выдержки до момента их распада на безопасные для биосферы составляющие, во втором отходы изолируют от окружающей среды до момента создания и пуска установок по их переработке. Принципиальная схема обращения с отходами при этом будет иметь вид (рис. 1).

 

Рис. 1. Принципиальная схема обращения с отходами

Проведенный обзор технологических схем изоляции отходов в горных выработках показал, что практически все они являются весьма трудоемкими и энергозатратными. Дальнейшие исследования и технические проработки в области размещения отходов должны решать следующие задачи:

- исключение привязки мест изоляции отходов к определенных географическим районам и литотипам горных пород;

- снижение энергоемкости процесса отверждения отходов;

- упрощение операций обращения с отходами в части отверждения, транспортировки и укладки отходов в хранилища.

Рассмотрим возможные варианты решения данных задач на примере выработок соледобывающих предприятий. Соляные месторождения России, ввиду их широкого распространения позволят удовлетворить спрос на хранилища различного рода отходов на длительный срок, а широкое распространение на территории России месторождений каменной соли, потенциально пригодных для захоронения различного рода отходов, позволяет создать в будущем систему региональных и централизованных подземных хранилищ [1]. Среди наиболее крупных месторождений каменной соли, эксплуатируемых в настоящее время можно выделить: Новомосковское (г. Тула), Илецкое (г. Соль-Илецк), Светлогорское (г. Волгоград), Яр-Бишкадакское (Башкирия), а также месторождения Восточно-Сибирского соленосного бассейна, площадь которого составляет более 680тыс. км. В дополнение к более широкому перечню хорошо известных соляных месторождений следует указать Хатангский (Северо-Сибирский) соленосный бассейн (мощность соляной залежи более 500 м – в районе Нордвика, глубина залегания 140-300м), Верхнепечорский соленосный бассейн (мощность соляной залежи более 300м, глубина залегания от 200м и более), а также соляные формации в районе Кочмеса (Инта) и на севере Канинского полуострова [1].

На первом этапе отходы необходимо разделить на подлежащие краткосрочному или временному хранению, а также предназначенные для “вечной” изоляции (рис. 2). При этом отходы, хранение которых предполагается в течение короткого промежутка времени целесообразно размещать в поверхностных (приповерхностных) хранилищах. Все остальные отходы целесообразно размещать в подземных выработках. На данном этапе необходимо осуществить выбор типов выработок с точки зрения их устойчивости для обеспечения минимальных затрат на извлечение отходов с целью последующей переработки. Временное хранение можно осуществлять как в поверхностных, так и в подземных хранилищах, при этом подземное хранение предполагает использование только устойчивых горных выработок. При закачке жидких отходов в камеры подземного растворения для временного хранения их отверждение представляется нецелесообразным, т. к. в случае отверждения их извлечение будет, скорее всего, невозможным. Отверждение жидких отходов необходимо при размещении отходов на постоянное хранение.

 

Рис. 2. Схема разделения отходов по типам хранилищ и типам выработок

Для решения перечисленных выше задач размещения отходов разработана принципиально новая концепция [2, 3]. Основное и принципиальное отличие разработанной концепции заключается в том, что хранение и (или) захоронение отходов предусматривает как использование природных (геологических) месторождений каменной соли, так и создание техногенных (искусственных) соляных формаций.

Искусственные соляные формации представляют собой композиции химического твердения минеральных солей (рис. 3) и могут быть использованы при сооружении как приповерхностных могильников, так и подземных хранилищ в горных выработках [2-5]. К основным преимуществам сооружения хранилищ или могильников отходов в виде искусственных соляных формаций относятся: возможность изоляции отходов в различных регионах; обеспечение длительного хранения отходов вблизи или непосредственно в районе производства отходов; простота технологии и воспроизводимость свойств наполнителя матрицы, содержащей отходы; возможность извлечения отходы из матрицы при минимальных затратах.

Разработанная технология формирования искусственных соляных формаций пригодна для изоляции крупногабаритных объектов при их длительном хранении, а также для работ с радиоактивными отходами, в том числе в пределах жилищной застройки крупных городов.

Силикаты

Рис. 3. Типы кристаллогидратов, пригодных для создания искусственных соляных формаций или отверждения отходов

В качестве наполнителя матриц для отверждения отходов в разработанной технологии используются минеральные соли, обладающие фазовыми превращениями (твердое-жидкое) в интервале температур 20-1220С. Эти критериям соответствует целый класс соединений (фосфаты, бораты, силикаты, сульфаты, нитраты), позволяющий использовать их тепловые и физико-химические свойства для быстрой и многократно воспроизводимой изоляции жидких и твердых отходов.

Сущность технологии изоляции твердых отходов заключается в том, что используемые химические соединения (одно или несколько) нагреваются до температуры их плавления и далее заливаются в матрицу, в которой предварительно размещены твердые или жидкие отходы. При охлаждении весь объем расплава превращается в прочный соляной блок. При необходимости возможна выемка блока из формы благодаря вторичному частичному плавлению. Минеральная соль, используемая в качестве наполнителя матрицы, подбирается таким образом, чтобы температура ее плавления превышала температуру изолируемого источника тепла.

Данный класс неорганических соединений (рис. 3) способных образовывать кристаллогидраты, может быть использован и для перевода жидких радиоактивных в твердое состояние в виде искусственных соляных блоков. При этом безводные минеральные соли поглощают по весу от 50% и более жидких отходов с образованием твердых кристаллогидратов.

При использовании разработанной технологии для создания поверхностного или приповерхностного хранилища для возведения его стенок, днища и верхнего перекрытия предлагается использовать композиции химического твердения природного сырья, минерального вяжущего и добавок, образующих трудно-растворимые соли, способствующие уменьшению скорости выщелачивания радионуклидов из отверженного монолита. Материал матрицы приготавливается в результате механического смешения компонентов композиции. В результате твердения массы в течении 3-8 часов, образуется монолит, имитирующий месторождение природных минеральных солей со всеми природными свойствами. Создав из такого материала стенки могильника и заполнив его блоками данного материала с отходами можно создавать искусственные месторождения природных солей, в которых равномерно распределены химически связанные отходы или любые другие отходы.

Литье блоков из кристаллогидратов для их отверждения перед транспортировкой заключается в заполнении формы жидким расплавом или полурасплавленной пульпой данного кристаллогидрата. Литье особенно упрощается в случае стабильного (при некотором перегреве) плавления кристаллогидрата в собственной в собственной кристаллизационной воде, т. е. при образовании расплава того же состава, что и твердый кристаллогидрат (без выделения низшего кристаллогидрата или безводной соли). При охлаждении весь объем расплава превращается обратно в твердый кристаллогидрат (агрегат кристаллов) без осложнения, которое может возникать при обратной гидратации низшего кристаллогидрата или безводной формы.

Случай полурасплавленной массы кристаллогидрата указанного свойства не вносит осложнений, так как после заполнения формы текучей массой пульпы обратная картина образования кристаллогидрата подобна заключительной стадии отвердевания истинного расплава: отвердевание происходит в межкристаллических порах, состав межкристального расплава идентичен составу твердых кристаллов.

Форма, в которую заливают расплав кристаллогидрата, может быть разборной или иметь рубашку для циркуляции охлаждающей воды, на стадии отвердевания или пара на стадии выемки блока из формы. Форма может иметь систему трубчатых выставок для создания системы каналов в отвердевшем блоке.

Выемка блока из формы при подогреве осуществляется благодаря вторичному частичному плавлению кристаллогидрата в тонком контактном слое на границе форма/блок.

Разработанная технология позволяет:

- повысить безопасность транспорта отходов за счет их отверждения непосредственно в месте образования;

- повысить безопасность временного хранения отходов за счет расположения в материалах, поглощающих вредные и опасные вещества;

- повысить безопасность размещения отходов по геомеханическим и гидрогеологическим факторам.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мозер выработанных пространств соляных месторождений России для хранения радиоактивных отходов / , , / Записки Горного института, т. 190, СПб, 2011, с. 105-107.

2. Ковалев отверждения радиоактивных и других видов опасных отходов / , , / Патент РФ № 000 от 20 апреля 2011 г.

3. Ковалев отходов / , , / Патент РФ № 000 от 27 апреля 2011 г.

4. Мозер геомеханика: физические основы и закономерности проявлений геомеханических процессов при подземной разработке месторождений / , Е. Б.  Куртуков / СПб., Недра, 2009, 136 с.

5. Ковалев аспекты изучения механических процессов в массивах при подземной разработке месторождений полезных ископаемых / , , / СПб., Недра, 2011, 167 с.

REFERENCES

1. Mozer S. P. The use of worked-out areas of salt deposits in Russia for the storage of radioactive waste / S. P. Moser, O. V. Kovalev, I. Yu. Thorikov / Notes of the Mining Institute, vol. 190, St. Petersburg, 2011, p. 105-107.
2. Kovalev O. V. The method of curing of radioactive and other hazardous waste / Kovalev O. V., Shestakov N. E., Moser S. P., Thorikov I. Yu., Bondarev K. A. / RF patent № 2416832 on April 20.2011.

3. Kovalev O. V. Storage of waste / O. V. Kovalev, N. E. Shestakov, S. P. Mozer, I. Yu. Thorikov / RF patent № 2417466 on April 27.2011.

4. Mozer S. P., Kurtukov E. B. Rock mechanics: basic physics and mechanism occurrence of geomechanical processes in underground mining / Saint-Petersburg, Nedra, 2009. - 136 p.

5. Kovalev O. V. Applied aspects of  study mechanical processes in arrays for underground mining of mineral deposits / O. V. Kovalev, S. P. Moser, I. J. Tkhorikov, E. B. Kurtukov, E. R. Kowalski / St. Petersburg., Nedra, 2011, 167 p.